月球無線通信技術發展研究

陳 飛

（諾基亞通信投資（中國）有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

月球通信是進行月球探索的基礎和支撐，同時也是月球探測的重要保證，在探測過程中占據著舉足輕重的地位。通信技術在人類深空探測活動中肩負著傳輸控制指令和數據信息的重要任務，是天、地、空一體化信息交互的重要手段。通信系統的設計要結合月球極地軟著陸探測任務的實際情況，根據任務的特點和要求進行相關的設計工作。傳統的微波通信技術雖然具備成本較低、技術成熟以及周期短的優勢，但也存在著信道容量受阻和傳輸方向性差的問題，并不能夠支持在月球上開展無線通信任務。而最新研究的空間光通信技術以激光光束作為傳輸介質，優點在于波束擴散較小，相比傳統微波通信有較高的數據傳輸性能，并且保密性好、設備體積小。隨著這項技術的迅速發展，有望成為未來月球通信技術的重要設施。此外，由于月球和地球宇宙空間的特殊性，地球與月球處于相互對立面，地球看不見月球的背面，月球也不能每天都看到地面，尤其是靠近月極的地區，會有半個月左右的時間與地面的仰角非常小，不能直接看到地面。針對月球這些看不見的地方，則需要地球軌道衛星系統與地面站建立直接通信鏈路。由于傳統的衛星系統對此無法解決，因此本文提出研制專用的中繼通信衛星。

1 月球無線通信技術發展現狀

1.1 月球環境條件

20世紀60年代和70年代，月球中繼通信衛星的研究工作跟隨探月任務興起，并根據阿波羅登月計劃進行論證研究工作。該項目相關研究大學和機構部門對月球中繼通信系統展開了探索與研究，并針對于月球通信技術的問題提出了許多月球中繼通信系統的解決方法。由于各種阻礙限制，該項研究最后未能進行實際操作，但其對未來的月球探測任務來說具有可靠的參考依據，并提供了大量的真實數據。

月球探測中，必須保證數據信息在航天器之間高速傳輸并能夠可靠地傳遞回研究基地。無線通信衛星從月球軌道到月球表面之間，在距離上存在著難以跨越的橫溝，因此需要采用無線通信鏈路來提高數據傳輸速率。針對月球探測任務，在每個階段都對地面站有著嚴格要求，其中包括能夠與載人航天器和宇航員進行控制通信和實時測量等[1]。而且月球上面存在著各種類型的障礙，因此地面監視控制站和軌道衛星系統對載人衛星進行探測存在一定難度，需要月球無線通信衛星網絡進行連續無縫地進行實時覆蓋。另外，月球探測無線通信過程中，真空和月球表面是兩個傳輸信道媒介，由于真空和月球表面具有特殊性，導致傳輸更加困難。雖然在地空信息傳輸過程中需要在各個飛行階段對通信信號進行檢測，但由于地面站可以對探測器形成支撐作用，完成對通信信號的檢測，因此在這個階段不需要立即開發專用的無線通信系統。另外，在月球無線通信技術中，低空通信信號鏈路的多徑效應效果比自由空間通信信號鏈路更好，但月球屬于自由空間通信系統，擁有月球巖石撞擊坑等復雜的多徑環境，會導致月球探測器在移動過程中產生不穩定性以及隨機性[2]。因此，無線通信系統必須具備抗多徑的技術。在探月和登陸任務中，由于月球背面的情況更加復雜，探測難度較高，而其又與地球的關系較為特殊，因此展開月球背面的通信技術顯得尤為重要。月球背面如圖1所示。

圖1 月球背面

1.2 探月系統的應用

探月系統主要是采集月面信息，通過空曠的空間通道發送給地面接收器，進行信號的接收和處理。中國嫦娥三號探月工程的五大系統如圖2所示。

圖2 嫦娥三號三月工程的五大系統

月球無線通信系統主要由自由空間信道探月系統和光學地面站通信終端共同組成。其中，光學地面站通信終端的設計對信號接收起著重要作用。在傳統的地面接收器中，使用更大孔徑的望遠鏡來接收信號。此類望遠鏡不僅體積十分龐大，而且在維護方面需要花費很多成本，維護操作系數難度一般較高。在最新的研究中，從月球到地面的光通信系統接收端的設計采用了陣列望遠鏡結構。陣列望遠鏡接收端可以同步控制接收到的信號，當陣列中望遠鏡的數目過大的時候，可以對陣列進行分簇，從而實現部分信號的組合操作[3]。

合并后的信號通過地面上的高速數字網絡進一步傳輸到中央信號處理基地，并且能夠在那里對信號進行解碼和整形。此外，望遠鏡之間的距離可以達到數百米，使得信號的空間分集接收更加合理。建立地面站與著陸器的通信鏈接，并建立詳細測量員和中繼衛星之間的信息傳遞方式。其中，登陸探頭地對地測控通信鏈接主要負責登陸前月球測控通信任務。根據無線通信技術提出深空環境下的協議系統，基于DTN技術建立一個全新的協議系統，并將實現這個系統的長期運用視作發展目標。

基于DTN技術構建的協議系統覆蓋了以往協議系統的功能和作用，其系統級別較高。利用DTN技術可以有效解決儲存轉發機制的時延和鏈路不連續帶來的問題。無線通信技術衛星地面測控通信鏈接與中繼鏈路可協同合作，實現空中資源優化配置。另外，需要由地面測控通信鏈路主要負責數據的詳細測量和傳輸等工作。

2 無線通信技術面臨的挑戰

2.1 通信速率的要求

在發展過程中，需要考慮通信鏈路的設計，制定高速調制方案，并深入研究大氣信道對深空光信號傳輸的影響。另外，由于深空光通信鏈路距離較遠，功率預算較高，為此還需要綜合考慮各種復雜因素以制定有效的鏈路預算。目前，大氣對光信號的影響主要以近地FSO網絡為主，短程FSO通道雖然與深空光通道相似，但也存在區別，所研究的深空光通信信道包括近地大氣信道和近地真空信道兩種通信信道。由于不同通信信道存在較大差別，因此對信道進行詳細調查極為重要。此外，高速調制技術作為深空光通信系統的重要技術之一，對深空光通信系統的性能有著重要的影響。

一般來說，強度調制/直接檢測和相干調制/外差檢測是光通信調制方案中的兩種系統方案[4]。但這兩種調制方式限制了信號調制后的速率，不能滿足人類對通信速率和帶寬的要求，需要詳細研究更有效的深空光通信網絡路由算法。該算法用于計算從地球到月球及其他地方的深空通信距離。在不改變基本網絡結構的情況下，DTN可以集成不同類型的網絡下層協議，進而達到實現多個異構網絡的相互連接。研究發現，其性能包括可擴展性和兼容性。由于不需要更改硬件，因此大多數設備具有低成本和良好的可行性。

無線通信與一般的地面通信和微波通信等通信技術有很大不同，存在時延大、不連續、丟包、拓撲變化復雜以及無線通信鏈路不對稱等問題[5]。為解決以上問題，有必要詳細研究月球無線通信技術的相關算法。

2.2 軌道位置的選擇

月球中繼通信衛星需要具有可靠性的特征，而且由于不同月球探測任務所需要的無線通信技術性能不同，為此需要根據需要根據具體的任務特點作出最合適的軌道位置規劃。這是因為軌道位置的選擇能夠直接決定無線通信的覆蓋特性和鏈路功能，而不同的覆蓋特性和鏈路功能適用于不同的月球探測任務，因此軌道位置的選擇對月球中繼通信衛星而言至關重要。

對于月球和地面光通信鏈路而言，必須考慮大氣的各種吸收和散射衰減。信號衰減不僅與大氣衰減有關，還與傳輸距離和通信波長有關。隨著傳輸距離的增加，衰減損耗逐漸增加。此外，光天線的增益決定了信號能量的損失率，光天線的設計直接關系到通信系統的效率和效果。無線通信系統能夠幫助月球背面、月球兩極的隱形探測以及載人航天器在月球軌道上的隱形探測和信息實時傳遞，因此需要具有強大的信息傳輸任務保障能力和支持數據有效保存的能力，從而實現以100 Mb/s的碼率接收月球探測器的最新信息，再根據月球探測器獲取的探測數據及時向宇航員發送語音、視頻等。另外，其還需要對月球航天器的任務需求提供必要支持，如支持地面數據的注入傳輸和遠程控制命令執行[6]。最后，需要控制信號傳輸距離造成的延遲，使通信前返回鏈路，特別是月球遙控操作和與宇航員的語音通信鏈路的轉發延遲低于500 ms。

3 月球無線通信技術發展方向

3.1 無線通信衛星覆蓋月球軌道

月球軌道的特點是靠近月球表面，可以以相對較低的成本進行高速中繼通信。通過研究其動力學特性發現，無線通信無法與其他衛星持續通信。如果用兩顆衛星進行信號傳輸，雖然也可以在一定程度上解決這個問題，但會造成運行成本增加的問題，而且會導致測控管理更加煩瑣復雜。為此，需要對中繼通信衛星的具體位置進行研究，發現其在位于地球與月球的平行軌道時，可以通過校正該軌道，以單顆衛星實現月球背面的通信，并實現其與地面的高效數據傳輸。

隨著探月任務的發展，月球探測器可能會在不同的月球軌道和月球表面位置上運行，因此月球中繼通信衛星系統必須對整個月球軌道和月球表面進行覆蓋和測控，以為各種航天器提供連續不間斷的數據傳輸。未來將逐步對月球中繼通信衛星系統進行建設，發展由多軌衛星組成的通信系統，以實現月球通信的全覆蓋，并研究無線通信衛星系統以滿足探月任務中通信需求[7]。而且一旦能夠實現無線通信系統的月球范圍全覆蓋，就可以有效將地球和月球的平移軌道與衛星進行結合，形成綜合服務保障優勢[8]。但在此過程中，必須保證各平臺資源的共享，以提高中繼通信的碼率，從而達到滿足大容量數據傳輸的要求。

3.2 形成一體化的數據傳輸網絡

為實現月球無線通信衛星系統的系統化發展，需要考慮中繼通信、深空探索任務以及月球探測任務的需求。由于深空通信的信息損失較大，同時深空探測時由于能源限制，因此難以像地球站那樣形成高功率，這就給高速數據傳輸帶來困難。在探月通信時的實時遙控幾乎無法對航天器平臺以及有效載荷產生有效控制，在這種情況下必須綜合考慮火星探測和小行星探測等深空探測任務的需求，不斷對其進行改進[9]。月球無線通信衛星系統由地球軌道中繼通信衛星系統和用戶航天器等組成的陸空數據傳輸網絡中心能夠進行穩定可靠的無線通信導航規劃，并對數據進行整合，從而協助各種探測任務[10]。此外，在進行無線通信技術改進的過程中還需要實時觀察國際前沿技術，及時吸收國際上的先進技術以改進我國無線通信技術，實現我國無線通信技術的快速發展。同時還可以設計激光測控系統，提高遠距離、長延遲以及弱信號測量的無線電頻率，以消除深空探測任務中的通信困難，為通信一體化奠定堅實的技術基礎。

4 結 論

未來，月球中繼通信系統的開發和導航定位功能的開發需要同時進行，綜合保障各項功能，以執行通信系統接入方式等關鍵鏈路設計任務。還可以吸收其他先進經驗，為工程實施提出建議，并促進相關成果的運用，以此為我國未來月球極地探測和月球研究基地等大型常駐任務通信系統的設計提供一定參考。最后，還需要進行平臺資源共享和信息共享，以有效降低系統開發建設成本，為探月任務提供更全面的保障。